WO2024029005A1 - 解析装置及び光ファイバセンシング方法 - Google Patents

解析装置及び光ファイバセンシング方法 Download PDF

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optical
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大輔 飯田
優介 古敷谷
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    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre

Definitions

  • the present disclosure relates to an analysis device for an optical fiber sensing device using OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) and a sensing method thereof.
  • OFDR Optical Frequency Domain Reflectometry
  • FIG. 1 is a diagram explaining the sensing principle using OFDR.
  • OFDR employs frequency swept light as probe light. Then, by Fourier transforming the waveform r( ⁇ ) (FIG. 1(A)) of the Rayleigh backscattered light for the probe light of the optical fiber, the spectrum S( ⁇ ) (FIG. 1(B)) can be analyzed ( For example, see Non-Patent Document 1).
  • the spectrum S( ⁇ ) of the backscattered light changes with respect to the strain and temperature of the optical fiber (spectral shift). Therefore, by detecting how much the reference spectrum S ref obtained in the reference measurement has moved at each measurement time (spectral shift ⁇ ), the amount of change in strain and temperature of the optical fiber can be calculated as shown in the following equation. can do.
  • ⁇ is the spectral shift
  • ⁇ 0 is the center frequency of the probe light
  • ⁇ is the strain
  • T is the temperature.
  • Optical fiber sensing devices using OFDR have a basic problem: optical frequency modulation caused by vibrations in front of the analysis position changes the distance to the analysis position, making it difficult to obtain a consistent optical spectrum and making correct vibration analysis difficult. be.
  • FIG. 2 is a diagram explaining the basic problem.
  • FIG. 2A shows the waveform r( ⁇ ) of Rayleigh backscattered light for the probe light of the optical fiber. Normally, vibrations occur in optical fibers. Therefore, the position of the waveform r( ⁇ ) to be analyzed changes over time due to the vibration (frequency offset 21) of the optical fiber before the analysis position (interval from time ⁇ 1 to ⁇ 2 ) (probe light incident end side). , the period from time ⁇ 1 to ⁇ 2 includes a waveform r( ⁇ ) that is not subject to analysis.
  • Non-Patent Document 2 discloses a method for alleviating the influence of positional deviation due to expansion of the analysis length. This method utilizes the fact that, with respect to the frequency offset 21, if the sensor length (the interval from time ⁇ 1 to ⁇ 2 ) is sufficiently long, positional deviation can be suppressed (it has resistance to vibration). However, this method poses a new problem in that increasing the analysis length degrades the spatial resolution of strain analysis.
  • Non-Patent Document 3 discloses a method of correcting positional deviation by signal processing.
  • This method is a signal processing method that estimates the distance offset by cross-correlating the loss distribution waveforms of the vibration sensors and tracks the position of the vibration sensor to be analyzed.
  • this method poses a new problem in that the signal load for cross-correlation is large.
  • the present invention provides an analysis device and an optical fiber sensing method for an optical fiber sensing device that can suppress the influence of positional deviation due to vibration with a small processing load without deteriorating the spatial resolution.
  • the purpose is to
  • an optical fiber sensing device and a method thereof according to the present invention calculate the amount of optical frequency modulation of each section of the optical fiber from the spectral shift of the section, and each section We decided to correct the positional deviation of the analysis position using the cumulative value of the amount of optical frequency modulation.
  • the analysis device for an optical fiber sensing device is an analysis device included in an optical fiber sensing device using OFDR, and includes: calculating the amount of optical frequency modulation for each section from the spectral shift measured for each section of the optical fiber; calculating a cumulative value by accumulating the optical frequency modulation amounts of the sections located closer to the proximal end than the analytical position of the optical fiber; and correcting the analytical position based on the cumulative value.
  • the optical fiber sensing method is an optical fiber sensing method using OFDR, measuring the spectral shift for each section of optical fiber; calculating an optical frequency modulation amount for each section from the spectral shift; A cumulative value is calculated by accumulating the optical frequency modulation amount of the section located closer to the proximal end than the analysis position of the optical fiber, and the analysis position is corrected based on the cumulative value. shall be.
  • the optical fiber sensing device assumes that the cumulative strain in each section is the amount of expansion and contraction of the optical fiber due to vibration, and measures the amount of optical frequency modulation by dividing the optical fiber into multiple sections, which are positioned in front of the analysis position.
  • the positional deviation of the analysis position is corrected using the cumulative value of the optical frequency modulation amount of each section. Therefore, the present invention can provide an analysis device and an optical fiber sensing method for an optical fiber sensing device that can suppress the influence of positional deviation due to vibration with a small processing load without deteriorating the spatial resolution.
  • Calculating the cumulative value means accumulating the optical frequency modulation amount from the section at the near end to the section immediately before the analysis position, or from any section to the section immediately before the analysis position.
  • the optical frequency modulation amount may be accumulated.
  • the present invention is a program for causing a computer to function as the analysis device.
  • analysis device can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • the present invention can provide an analysis device and an optical fiber sensing method for an optical fiber sensing device that can suppress the influence of positional deviation due to vibration with a small processing load without deteriorating the spatial resolution.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an optical fiber sensing device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an optical fiber sensing method according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of the optical fiber sensing method according to the present invention. It is a figure explaining the effect of the optical fiber sensing method concerning the present invention.
  • 1 is a diagram illustrating an optical fiber sensing device according to the present invention. It is a figure explaining the effect of the optical fiber sensing method concerning the present invention. 1 is a diagram illustrating an optical fiber sensing device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the optical fiber sensing device 301 of this embodiment.
  • the optical fiber sensing device 301 is a sensing system that includes a measuring device 11 and an analyzing device 12.
  • the measurement device 11 is an OFDR that inputs the probe light whose frequency has been swept once into the optical fiber 13 and obtains the spectrum of the Rayleigh backscattered light in the optical fiber 13.
  • the end connected to the measuring device 11 may be referred to as a "near end”
  • the other end may be referred to as a "far end”.
  • the analysis device 12 obtains the spectrum shift ⁇ from the temporal fluctuation of the spectrum obtained by the measurement device 11. Then, the analysis device 12 divides the optical fiber 13 into a plurality of sections #i (“i” is a section number and is an integer from 0 to N) in the longitudinal direction, and divides the optical fiber 13 into sections #i for each section.
  • the optical frequency modulation amount f(x i , t) of the section is calculated from the spectral shift ⁇ (x i , t), and the cumulative value f offset (t) of the optical frequency modulation amount of each section located in front of the analysis position is calculated. Use this to correct the positional deviation of the analysis position. The details of the positional deviation correction of the analysis position performed by the analysis device 12 will be described below.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an optical fiber sensing method performed by the analysis device 12.
  • the analysis device 12 is measuring the spectral shift ⁇ (x i , t) for each section #i of the optical fiber 13 using the measuring device 11 (steps S01, S02, Si1, Si2); calculating an optical frequency modulation amount f(x i , t) for each section from the spectral shift; calculating a cumulative value f offset (t) by accumulating the optical frequency modulation amount of the section located closer to the proximal end than the analysis position of the optical fiber 13 (step S03, step Si3); Correcting the analysis position x i based on the above (step Sa1) I do.
  • FIG. 5 is an image diagram illustrating positional deviation correction of the analysis position in the present optical fiber sensing method.
  • the optical fiber 13 will be considered by dividing it into a plurality of sections #i (i is an integer from 0 to N).
  • x i is the length of section #i
  • t is time
  • ⁇ (x i , t) is the amount of strain in the optical fiber 13 in section #i.
  • the length x i is set longer than the spatial resolution L of strain that can be detected by the measuring device 11 .
  • This optical fiber sensing method analyzes the amount of optical frequency modulation f(x i , t) from the amount of strain ⁇ (x i , t) in each section #i, and calculates the amount of probe light propagated from the near end to section #i. It is utilized that the frequency modulation amount is given by the accumulation of optical frequency modulation amounts from sections #0 to #i. Note that in this optical fiber sensing method, the amount of strain ⁇ is expressed by a spectral shift ⁇ (x i , t).
  • Step S01 The analysis device 12 acquires a spectrogram S(x 0 , t, ⁇ ) from the return light from section #0 (position at distance x 0 from the near end) among the backscattered lights acquired by the measurement device 11. do. ⁇ is the optical frequency. [Step S02] Then, the analysis device 12 analyzes the spectral shift ⁇ (x 0 , t) from the spectrogram S(x 0 ,t, ⁇ ). Note that the method for analyzing the spectral shift ⁇ from the spectrogram S may be the method disclosed in Non-Patent Document 1.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating step Sa1.
  • the analysis device 12 corrects the positional deviation of the vibration analysis position (distance x i-1 ; distance x 0 after step S03, distance x i-1 after step Si3) using the following equation. That is, the analysis device 12 uses the accumulated optical frequency modulation amount f offset (t) from sections #0 to #i-1 to correct the positional deviation of the vibration analysis position.
  • the analysis device 12 acquires a spectrogram S(x i , t, ⁇ ) from the return light from section #i (position at a distance x i from the near end) out of the backscattered light acquired by the measuring device 11. do. ⁇ is the optical frequency.
  • the analysis device 12 analyzes the spectral shift ⁇ (x i , t) from the spectrogram S(x i , t, ⁇ ).
  • the analysis device 12 may calculate the distortion amount ⁇ (x i , t) for each section from the spectral shift ⁇ (x i , t) for each section #i.
  • the amount of strain ⁇ (x i , t) may be calculated only for the desired analysis position.
  • the distortion amount ⁇ (x i , t) is calculated using equation (A2) described in Appendix A at the position x i where the positional deviation has been corrected.
  • step Si3 the section number is incremented by one in step Sc2, and the process returns to step Sa1, where the positional deviation of the vibration analysis position (distance x i-1 ) is corrected using equation (3).
  • FIG. 7 is a diagram explaining the experimental system.
  • the optical fiber 13 was divided into two sections: an optical fiber 13a at the near end and an optical fiber 13b at the far end.
  • the length of the optical fiber 13a is 60 m, and the length of the optical fiber 13b is 160 m.
  • a 30 Hz sine wave vibration was applied only to the optical fiber 13a.
  • the spatial resolution L of the measuring device 11 is 66 cm.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the effects of the present invention.
  • FIG. 8(A) shows the results of strain measurement (comparative example) in the experimental system of FIG. 7 in which positional deviation correction was not performed by the analyzer 12.
  • strain ⁇ can be measured correctly over a distance of about 0 to 30 m, but measurement errors occur after that.
  • the spatial resolution of the measuring device 11 has the ability to withstand the amount of accumulated frequency modulation when the probe light propagates up to a distance of approximately 0 to 30 m, but it has no ability to withstand the amount of accumulated frequency modulation at distances beyond that. Not enough. In particular, measurement errors occur frequently near the time when the positional deviation is maximum or when the sinusoidal distortion becomes zero.
  • the positional deviation is corrected in both the section of the optical fiber 13a and the section of the optical fiber 13b to which no vibration is applied, and the strain ⁇ is correctly measured.
  • the strain ⁇ gives the probe light a phase change ⁇ .
  • the time differential of the phase change ⁇ is the optical frequency modulation amount f.
  • a sinusoidal distortion was applied, so the amount of optical frequency modulation (positional deviation) becomes maximum at the time when the distortion becomes zero (the time differential of the sine wave becomes maximum at the zero point). when passing).
  • the experimental results certainly show this situation, with measurement errors occurring near the time when the distortion becomes zero.
  • the optical frequency modulation amount f due to the strain ⁇ is accumulated as the probe light propagates. For this reason, strain ⁇ can be accurately measured up to a distance of about 0 to 30 m, but after that, the cumulative value of the optical frequency modulation amount exceeds the spatial resolution of the measuring device 11, and measurement errors begin to occur. (end of supplement)
  • the optical fiber sensing method according to the present invention requires less signal processing load (differentiation and addition) than the conventional method (cross-correlation), and measures vibration distribution without degrading the spatial resolution of strain analysis. is possible.
  • the optical fiber sensing method according to the above can calculate the frequency offset f offset (t) for an arbitrary interval (x i to x j ) as explained in equation (2). Therefore, it is also possible to analyze the amount of positional deviation by accumulating the optical frequency modulation amount f(x i , t) from a section at any point, not just the near end, to section #N-1 immediately before the analysis position. Therefore, the optical fiber sensing method according to the present invention can improve the accuracy and convenience of strain measurement.
  • the analysis device 12 can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • FIG. 9 shows a block diagram of system 100.
  • System 100 includes computer 105 connected to network 135.
  • the network 135 is a data communication network.
  • Network 135 may be a private network or a public network, such as (a) a personal area network covering, for example, a room; (b) a local area network, e.g., covering a building; (c) a local area network, e.g. (d) a metropolitan area network, which covers, for example, a city; (e) a wide network, which covers an area that spans, for example, urban, regional, or national boundaries or (f) the Internet. Communication occurs via electronic and optical signals via network 135.
  • Computer 105 includes a processor 110 and a memory 115 connected to processor 110. Although computer 105 is depicted herein as a stand-alone device, it is not so limited, but rather may be connected to other devices not shown in a distributed processing system.
  • Processor 110 is an electronic device comprised of logic circuitry that responds to and executes instructions.
  • Memory 115 is a tangible computer-readable storage medium on which a computer program is encoded.
  • memory 115 stores data and instructions, or program codes, readable and executable by processor 110 to control the operation of processor 110.
  • Memory 115 may be implemented as random access memory (RAM), a hard drive, read only memory (ROM), or a combination thereof.
  • One of the components of memory 115 is program module 120.
  • Program module 120 includes instructions for controlling processor 110 to perform the processes described herein. Although operations are described herein as being performed by computer 105 or a method or process or subprocess thereof, those operations are actually performed by processor 110.
  • module is used herein to refer to a functional operation that can be implemented either as a stand-alone component or as an integrated arrangement of multiple subcomponents. Accordingly, program module 120 may be implemented as a single module or as multiple modules operating in concert with each other. Further, although program modules 120 are described herein as being installed in memory 115 and thus being implemented in software, program modules 120 may be implemented in hardware (e.g., electronic circuitry), firmware, software, or any combination thereof. It is possible to implement either of these methods.
  • Storage device 140 is a tangible computer readable storage medium that stores program modules 120 .
  • Examples of storage devices 140 include compact disks, magnetic tape, read-only memory, optical storage media, memory units composed of a hard drive or multiple parallel hard drives, and Universal Serial Bus (USB) flash drives. It will be done.
  • storage 140 may be random access memory or other type of electronic storage device located in a remote storage system, not shown, and connected to computer 105 via network 135.
  • System 100 further includes a data source 150A and a data source 150B, collectively referred to herein as data sources 150, and communicatively connected to network 135.
  • data sources 150 may include any number of data sources, ie, one or more data sources.
  • Data sources 150 include unstructured data and may include social media.
  • System 100 further includes a user device 130 operated by user 101 and connected to computer 105 via network 135.
  • User device 130 may include an input device, such as a keyboard or voice recognition subsystem, for allowing user 101 to convey information and command selections to processor 110.
  • User device 130 further includes a display device or an output device such as a printer or a speech synthesizer.
  • a cursor control such as a mouse, trackball, or touch-sensitive screen, allows user 101 to manipulate a cursor on the display to convey additional information and command selections to processor 110.
  • Processor 110 outputs results 122 of execution of program module 120 to user device 130.
  • processor 110 may provide output to storage 125, such as a database or memory, or via network 135 to a remote device not shown.
  • the program module 120 may be a program that executes the flowchart in FIG. System 100 can be operated as analysis device 12.
  • various inventions can be formed by appropriately combining the plurality of components disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiments. Furthermore, components from different embodiments may be combined as appropriate.

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Abstract

本発明は、空間分解能を劣化させることなく、少ない処理負荷で振動による位置ずれの影響を抑制できる光ファイバセンシング装置の解析装置及び光ファイバセンシング方法を提供することを目的とする。　本発明に係る解析回路１２は、測定装置１１を利用して光ファイバ１３のセクション＃ｉ毎にスペクトルシフトΔν（ｘｉ，ｔ）を測定すること（ステップＳ０１、Ｓ０２、Ｓｉ１、Ｓｉ２）、前記スペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量ｆ（ｘｉ，ｔ）を計算すること、光ファイバ１３の解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値ｆｏｆｆｓｅｔ（ｔ）を計算すること（ステップＳ０３、ステップＳｉ３）、及び前記累積値に基づいて前記解析位置ｘｉの補正すること（ステップＳａ１）を行う。

Description

解析装置及び光ファイバセンシング方法
　本開示は、ＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｏｍａｉｎ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）を用いた光ファイバセンシング装置の解析装置及びそのセンシング方法に関する。
　図１は、ＯＦＤＲを用いたセンシング原理を説明する図である。ＯＦＤＲは、周波数掃引光をプローブ光として採用する。そして、光ファイバのプローブ光に対するレイリー後方散乱光の波形ｒ（τ）（図１（Ａ））をフーリエ変換することでスペクトルＳ（ν）（図１（Ｂ））を解析することができる（例えば、非特許文献１を参照。）。
　後方散乱光のスペクトルＳ（ν）は光ファイバの歪みや温度に対して変動する（スペクトルシフト）。このため、参照測定で得られた参照スペクトルＳｒｅｆが各測定時においてどれだけ移動したか（スペクトルシフトΔν）を検出することで、次式のように光ファイバの歪みや温度の変化量を算出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、Δνはスペクトルシフト、ν０はプローブ光の中心周波数、εは歪み、Ｔは温度である。
Ｍ．　Ｆｒｏｇｇａｔｔ　ａｎｄ　Ｊ．　Ｍｏｏｒｅ，　"Ｈｉｇｈ－ｓｐａｔｉａｌ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｓｔｒａｉｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｒａｙｌｅｉｇｈ　ｓｃａｔｔｅｒ，"　Ａｐｐｌ．　Ｏｐｔ．，　ｖｏｌ．　３７，　ｎｏ．　１０，　ｐｐ．　１７３５－１７４０，　１９９８． Ｏｋａｍｏｔｏ，　Ｔａｔｓｕｙａ，　Ｄａｉｓｕｋｅ　Ｉｉｄａ，　ａｎｄ　Ｈｉｒｏｙｕｋｉ　Ｏｓｈｉｄａ．　"Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ－ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｅａｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ"．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　３７．１８　（２０１９）：　４８９６－４９０１． Ｏｋａｍｏｔｏ，　Ｔａｔｓｕｙａ，　Ｄａｉｓｕｋｅ　Ｉｉｄａ，　ａｎｄ　Ｈｉｒｏｙｕｋｉ　Ｏｓｈｉｄａ．　"Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｏｌｅｒａｎｃｅ　ｏｆ　ＯＦＤＲ－ｂａｓｅｄ　ＤＡＳ　ｔｏ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ－ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｅａｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆｆｓｅｔ"．， ２０２０　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ　（ＯＦＣ）．　ＩＥＥＥ，　２０２０．
　ＯＦＤＲによる光ファイバセンシング装置には、解析しようとする解析位置より手前の振動による光周波数変調が解析位置の距離を変化させるため、一貫した光スペクトルが得にくく、正しい振動解析が困難という基本課題がある。
　図２は、基本課題を説明する図である。図２（Ａ）は、光ファイバのプローブ光に対するレイリー後方散乱光の波形ｒ（τ）である。通常、光ファイバには振動が発生している。このため、解析位置（時間τ１からτ２の区間）より手前（プローブ光入射端側）の光ファイバの振動（周波数オフセット２１）により解析したい波形ｒ（τ）の位置が時間的に変動し、時間τ１からτ２の区間に解析対象外の波形ｒ（τ）が含まれることになる。つまり、時刻ごとに解析する波形波形ｒ（τ）が変化するため、波形ｒ（τ）をフーリエ変換したスペクトルＳ（ν）の波形も光スペクトル構造が変化し、スペクトルシフト量（歪み量）を計算することが困難になる（図２（Ｂ））。
　この基本課題に対し、非特許文献２は、解析長さの拡大による位置ずれの影響緩和する方法を開示する。この方法は、周波数オフセット２１に対して、センサー長さ（時間τ１からτ２の区間）が十分長ければ、位置ずれを抑えることができる（振動に対する耐力をもつ）ことを利用している。しかし、この方法は、解析長さを拡大すれば歪み解析の空間分解能が劣化するという新たな課題が発生する。
　また、この基本課題に対し、非特許文献３は、位置ずれ補正を信号処理で行う方法を開示する。この方法は、振動センサーの損失分布波形の相互相関で距離オフセットを推定し、解析したい振動センサーの位置を追跡する信号処理である。しかし、この方法は、相互相関のための信号負荷が大きいという新たな課題が発生する。
　そこで、本発明は、前記課題を解決するために、空間分解能を劣化させることなく、少ない処理負荷で振動による位置ずれの影響を抑制できる光ファイバセンシング装置の解析装置及び光ファイバセンシング方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る光ファイバセンシング装置及びその方法は、光ファイバのセクションごとのスペクトルシフトから当該セクションの光周波数変調量を求め、解析位置よりも手前に位置する各セクションの光周波数変調量の累積値を用いて解析位置の位置ずれ補正を行うこととした。
　具体的には、本発明に係る光ファイバセンシング装置の解析装置は、ＯＦＤＲを用いた光ファイバセンシング装置が備える解析装置であって、
　光ファイバのセクション毎に測定されたスペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量を計算すること、
　前記光ファイバの解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値を計算すること、及び
　前記累積値に基づいて前記解析位置を補正すること
を行う。
　また、本発明に係る光ファイバセンシング方法は、ＯＦＤＲを用いた光ファイバセンシング方法であって、
　光ファイバのセクション毎にスペクトルシフトを測定すること、
　前記スペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量を計算すること、
　前記光ファイバの解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値を計算すること、及び
　前記累積値に基づいて前記解析位置の補正を行うこと
を特徴とする。
　光ファイバセンシング装置は、各セクションでの歪の積算が振動による光ファイバの伸縮量であるとし、光ファイバを複数のセクションに分けて光周波数変調量を測定し、解析位置よりも手前に位置する各セクションの光周波数変調量の累積値で解析位置の位置ずれ補正する。このため、本発明は、空間分解能を劣化させることなく、少ない処理負荷で振動による位置ずれの影響を抑制できる光ファイバセンシング装置の解析装置及び光ファイバセンシング方法を提供することができる。
　前記累積値を計算することは、前記近端の前記セクションから前記解析位置直前の前記セクションまでの前記光周波数変調量を累積すること、あるいは任意の前記セクションから前記解析位置直前の前記セクションまでの前記光周波数変調量を累積することとしてもよい。
　本発明は、前記解析装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムである。
　なお、前記解析装置は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
　なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
　本発明は、空間分解能を劣化させることなく、少ない処理負荷で振動による位置ずれの影響を抑制できる光ファイバセンシング装置の解析装置及び光ファイバセンシング方法を提供することができる。
ＯＦＤＲを用いたセンシング原理を説明する図である。 本発明の課題を説明する図である。 本発明に係る光ファイバセンシング装置を説明する図である。 本発明に係る光ファイバセンシング方法を説明する図である。 本発明に係る光ファイバセンシング方法の原理を説明する図である。 本発明に係る光ファイバセンシング方法の効果を説明する図である。 本発明に係る光ファイバセンシング装置を説明する図である。 本発明に係る光ファイバセンシング方法の効果を説明する図である。 本発明に係る光ファイバセンシング装置を説明する図である。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
（実施形態１）
　図３は、本実施形態の光ファイバセンシング装置３０１を説明する図である。光ファイバセンシング装置３０１は、測定装置１１と解析装置１２を備えるセンシングシステムである。測定装置１１は、周波数を１回掃引したプローブ光を光ファイバ１３へ入力し、光ファイバ１３におけるレイリー後方散乱光のスペクトルを取得するＯＦＤＲである。
　本明細書では、光ファイバ１３の両端のうち、測定装置１１に接続される端を「近端」、他端を「遠端」と記載することがある。
　解析装置１２は、測定装置１１が得た前記スペクトルの時間変動からスペクトルシフトΔνを取得する。そして、解析装置１２は、光ファイバ１３を長手方向に複数のセクション＃ｉ（“ｉ”はセクション番号であり、０からＮまでの整数である。）に区分し、光ファイバ１３のセクションごとのスペクトルシフトΔν（ｘｉ，ｔ）から当該セクションの光周波数変調量ｆ（ｘｉ，ｔ）を求め、解析位置よりも手前に位置する各セクションの光周波数変調量の累積値ｆｏｆｆｓｅｔ（ｔ）を用いて解析位置の位置ずれ補正を行う。
　以下に、解析装置１２が行う解析位置の位置ずれ補正の詳細を説明する。
　図４は、解析装置１２が行う光ファイバセンシング方法を説明する図である。
　解析装置１２は、
　測定装置１１を利用して光ファイバ１３のセクション＃ｉ毎にスペクトルシフトΔν（ｘｉ，ｔ）を測定すること（ステップＳ０１、Ｓ０２、Ｓｉ１、Ｓｉ２）、
　前記スペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量ｆ（ｘｉ，ｔ）を計算すること、
　光ファイバ１３の解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値ｆｏｆｆｓｅｔ（ｔ）を計算すること（ステップＳ０３、ステップＳｉ３）、及び
　前記累積値に基づいて前記解析位置ｘｉの補正すること（ステップＳａ１）
を行う。
　図５は、本光ファイバセンシング方法における解析位置の位置ずれ補正を説明するイメージ図である。光ファイバ１３を複数のセクション＃ｉ（ｉは０からＮまでの整数）に分けて検討する。ｘｉはセクション＃ｉの長さ、ｔは時刻、ε（ｘｉ，ｔ）はセクション＃ｉにおける光ファイバ１３の歪量である。長さｘｉは測定装置１１が検出可能な歪の空間分解能Ｌより長く設定する。
　本光ファイバセンシング方法は、各セクション＃ｉの歪量ε（ｘｉ，ｔ）から光周波数変調量ｆ（ｘｉ，ｔ）を解析し、近端からセクション＃ｉまで伝搬したプローブ光の光周波数変調量は、セクション＃０から＃ｉまでの光周波数変調量の蓄積で与えられることを利用する。なお、本光ファイバセンシング方法は、歪量εをスペクトルシフトΔν（ｘｉ，ｔ）で表現する。
［ステップＳ０１］
　解析装置１２は、測定装置１１が取得した後方散乱光のうち、セクション＃０（近端からの距離がｘ０の位置）からの戻り光からスペクトルグラムＳ（ｘ０，ｔ，ν）を取得する。νは光周波数である。
［ステップＳ０２］
　そして、解析装置１２は、スペクトルグラムＳ（ｘ０，ｔ，ν）からスペクトルシフトΔν（ｘ０，ｔ）を解析する。なお、スペクトルグラムＳからスペクトルシフトΔνを解析する手法は非特許文献１に開示されるような手法でよい。
［ステップＳ０３］
　解析装置１２は、Δν（ｘ０，ｔ）から次式で光周波数変調量ｆ（ｘ０，ｔ）を算出する。なお、歪量εと位相変化量θとの関係は付録Ａにて説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　さらに、解析装置１２は、セクション＃０（距離ｘ０）を往復伝搬したプローブ光のビート周波数オフセットｆｏｆｆｓｅｔ（ｔ）を算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　式（２）は、距離ｘｉからｘｊまで伝搬したプローブ光の周波数変調量であるから、セクション＃０における周波数オフセットは、
ｆｏｆｆｓｅｔ（ｔ）＝２ｆ（ｘ０，ｔ）
である。
［ステップＳｃ１］
　セクション番号を０から１とする。
［ステップＳａ１］
　図６は、ステップＳａ１を説明する図である。解析装置１２は、振動解析位置（距離ｘｉー１；ステップＳ０３の後であれば距離ｘ０、ステップＳｉ３の後であれば距離ｘｉー１）の位置ずれを次式によって補正する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
  つまり、解析装置１２は、セクション＃０～＃ｉ－１までの光周波数変調量の蓄積ｆｏｆｆｓｅｔ（ｔ）を用いて、振動解析位置の位置ずれ補正を行う。
［ステップＳｉ１］
　解析装置１２は、測定装置１１が取得した後方散乱光のうち、セクション＃ｉ（近端からの距離がｘｉの位置）からの戻り光からスペクトルグラムＳ（ｘｉ，ｔ，ν）を取得する。νは光周波数である。
［ステップＳｉ２］
　そして、解析装置１２は、スペクトルグラムＳ（ｘｉ，ｔ，ν）からスペクトルシフトΔν（ｘｉ，ｔ）を解析する。
　ここで、解析装置１２は、セクション＃ｉ毎のスペクトルシフトΔν（ｘｉ，ｔ）からセクション毎の歪量ε（ｘｉ，ｔ）を計算してもよい。歪量ε（ｘｉ，ｔ）は所望の解析位置についてのみ算出すればよい。具体的には、歪量ε（ｘｉ，ｔ）は、位置ずれを補正した位置ｘｉにおいて付録Ａに記載の式（Ａ２）を用いて算出する。
［ステップＳｉ３］
　式（２）を用いて、距離ｘ０からｘｉを往復伝搬した光のビート周波数オフセットｆｏｆｆｓｅｔ（ｔ）を算出する。
　なお、ｉ＝Ｎとなっている場合、本ステップを行わずに終了する。
　ステップＳｉ３の後、ステップＳｃ２でセクション番号を１つカウントアップしてステップＳａ１に戻り、振動解析位置（距離ｘｉ-１）の位置ずれを式（３）によって補正する。
［実施例］
　図７は、実験系を説明する図である。光ファイバ１３について、近端側を光ファイバ１３ａ、遠端を光ファイバ１３ｂの２つの区間に分けた。光ファイバ１３ａの長さは６０ｍ、光ファイバ１３ｂの長さは１６０ｍである。光ファイバ１３ａのみに３０Ｈｚの正弦波の振動を与えた。
　測定装置１１の空間分解能Ｌは６６ｃｍである。
　図８は、本発明の効果を説明する図である。図８（Ａ）は、図７の実験系において、解析装置１２で位置ずれ補正を行わなかった歪測定の結果（比較例）である。図８（Ｂ）は、図７の実験系において、解析装置１２で位置ずれ補正を行った歪測定の結果（実施例）である。
　比較例では、距離０～３０ｍ程度までは正しく歪εが測定できているが、それ以降で測定エラーが発生している。これは次を意味している。測定装置１１の空間分解能は、プローブ光が距離０～３０ｍ程度まで伝搬したときの蓄積周波数変調量に対しては耐力があるが、それ以降の距離での蓄積周波数変調量に対しては耐力が不十分である。特に位置ずれが最大となる時刻、又は正弦波状の歪みがゼロとなる時刻近傍において、測定エラーが頻発している。
　一方、実施例では、光ファイバ１３ａの区間及び振動を与えていない光ファイバ１３ｂの区間のいずれにおいても位置ずれが補正され、歪εが正しく測定されている。
（補足）
　式（Ａ３）のように、歪εはプローブ光に位相変化θを与える。位相変化θの時間微分が光周波数変調量ｆである。本実験では正弦波状の歪みを加えたので、光周波数変調量（位置ずれ量）が最大となるのは歪みがゼロとなる時刻である（正弦波の時間微分が最大となるのはゼロ点を通過する時）。実験結果は確かにその様子を表しており、歪みがゼロとなる時刻近傍で測定エラーが発生している。
　歪εによる光周波数変調量ｆはプローブ光の伝搬とともに蓄積されていく。このため、距離０～３０ｍ程度までは正しく歪εを測定できるが、それ以降では光周波数変調量の累積値が測定装置１１の空間分解能を超えてしまい、測定エラーが発生するようになる。
（補足終了）
［効果］
　本発明に係る光ファイバセンシング方法は、図８で説明したように、信号処理の負荷（微分と足し算）が従来（相互相関）より少なく、歪み解析の空間分解能を劣化させることなく振動分布を測定が可能である。
　上記実施形態では、近端のセクション＃０から解析位置直前のセクション＃Ｎ－１までの光周波数変調量ｆ（ｘｉ，ｔ）を累積し、位置補正を行うことを説明したが、本発明に係る光ファイバセンシング方法は、式（２）で説明したように、任意の区間（ｘｉ～ｘｊ）についての周波数オフセットｆｏｆｆｓｅｔ（ｔ）を計算できる。このため、近端に限らず任意地点のセクションから解析位置直前のセクション＃Ｎ－１までの光周波数変調量ｆ（ｘｉ，ｔ）を累積して位置ずれ量を解析することもできる。従って、本発明に係る光ファイバセンシング方法は、歪測定の精度とともに利便性も高めることができる。
（実施形態２）
　解析装置１２はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
　図９は、システム１００のブロック図を示している。システム１００は、ネットワーク１３５へと接続されたコンピュータ１０５を含む。
　ネットワーク１３５は、データ通信ネットワークである。ネットワーク１３５は、プライベートネットワーク又はパブリックネットワークであってよく、（ａ）例えば或る部屋をカバーするパーソナル・エリア・ネットワーク、（ｂ）例えば或る建物をカバーするローカル・エリア・ネットワーク、（ｃ）例えば或るキャンパスをカバーするキャンパス・エリア・ネットワーク、（ｄ）例えば或る都市をカバーするメトロポリタン・エリア・ネットワーク、（ｅ）例えば都市、地方、又は国家の境界をまたいでつながる領域をカバーするワイド・エリア・ネットワーク、又は（ｆ）インターネット、のいずれか又はすべてを含むことができる。通信は、ネットワーク１３５を介して電子信号及び光信号によって行われる。
　コンピュータ１０５は、プロセッサ１１０、及びプロセッサ１１０に接続されたメモリ１１５を含む。コンピュータ１０５が、本明細書においてはスタンドアロンのデバイスとして表されているが、そのように限定されるわけではなく、むしろ分散処理システムにおいて図示されていない他のデバイスへと接続されてよい。
　プロセッサ１１０は、命令に応答し且つ命令を実行する論理回路で構成される電子デバイスである。
　メモリ１１５は、コンピュータプログラムがエンコードされた有形のコンピュータにとって読み取り可能な記憶媒体である。この点に関し、メモリ１１５は、プロセッサ１１０の動作を制御するためにプロセッサ１１０によって読み取り可能及び実行可能なデータ及び命令、すなわちプログラムコードを記憶する。メモリ１１５を、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ハードドライブ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、又はこれらの組み合わせにて実現することができる。メモリ１１５の構成要素の１つは、プログラムモジュール１２０である。
　プログラムモジュール１２０は、本明細書に記載のプロセスを実行するようにプロセッサ１１０を制御するための命令を含む。本明細書において、動作がコンピュータ１０５或いは方法又はプロセス若しくはその下位プロセスによって実行されると説明されるが、それらの動作は、実際にはプロセッサ１１０によって実行される。
　用語「モジュール」は、本明細書において、スタンドアロンの構成要素又は複数の下位の構成要素からなる統合された構成のいずれかとして具現化され得る機能的動作を指して使用される。したがって、プログラムモジュール１２０は、単一のモジュールとして、或いは互いに協調して動作する複数のモジュールとして実現され得る。さらに、プログラムモジュール１２０は、本明細書において、メモリ１１５にインストールされ、したがってソフトウェアにて実現されるものとして説明されるが、ハードウェア（例えば、電子回路）、ファームウェア、ソフトウェア、又はこれらの組み合わせのいずれかにて実現することが可能である。
　プログラムモジュール１２０は、すでにメモリ１１５へとロードされているものとして示されているが、メモリ１１５へと後にロードされるように記憶装置１４０上に位置するように構成されてもよい。記憶装置１４０は、プログラムモジュール１２０を記憶する有形のコンピュータにとって読み取り可能な記憶媒体である。記憶装置１４０の例として、コンパクトディスク、磁気テープ、読み出し専用メモリ、光記憶媒体、ハードドライブ又は複数の並列なハードドライブで構成されるメモリユニット、並びにユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）フラッシュドライブが挙げられる。あるいは、記憶装置１４０は、ランダムアクセスメモリ、或いは図示されていない遠隔のストレージシステムに位置し、且つネットワーク１３５を介してコンピュータ１０５へと接続される他の種類の電子記憶デバイスであってよい。
　システム１００は、本明細書においてまとめてデータソース１５０と称され、且つネットワーク１３５へと通信可能に接続されるデータソース１５０Ａ及びデータソース１５０Ｂを更に含む。実際には、データソース１５０は、任意の数のデータソース、すなわち１つ以上のデータソースを含むことができる。データソース１５０は、体系化されていないデータを含み、ソーシャルメディアを含むことができる。
　システム１００は、ユーザ１０１によって操作され、且つネットワーク１３５を介してコンピュータ１０５へと接続されるユーザデバイス１３０を更に含む。ユーザデバイス１３０として、ユーザ１０１が情報及びコマンドの選択をプロセッサ１１０へと伝えることを可能にするためのキーボード又は音声認識サブシステムなどの入力デバイスが挙げられる。ユーザデバイス１３０は、表示装置又はプリンタ或いは音声合成装置などの出力デバイスを更に含む。マウス、トラックボール、又はタッチ感応式画面などのカーソル制御部が、さらなる情報及びコマンドの選択をプロセッサ１１０へと伝えるために表示装置上でカーソルを操作することをユーザ１０１にとって可能にする。
　プロセッサ１１０は、プログラムモジュール１２０の実行の結果１２２をユーザデバイス１３０へと出力する。あるいは、プロセッサ１１０は、出力を例えばデータベース又はメモリなどの記憶装置１２５へともたらすことができ、或いはネットワーク１３５を介して図示されていない遠隔のデバイスへともたらすことができる。
　例えば、図４のフローチャートを行うプログラムをプログラムモジュール１２０としてもよい。システム１００を解析装置１２として動作させることができる。
　用語「・・・を備える」又は「・・・を備えている」は、そこで述べられている特徴、完全体、工程、又は構成要素が存在することを指定しているが、１つ以上の他の特徴、完全体、工程、又は構成要素、或いはそれらのグループの存在を排除してはいないと、解釈されるべきである。用語「ａ」及び「ａｎ」は、不定冠詞であり、したがって、それを複数有する実施形態を排除するものではない。
（他の実施形態）
　なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。要するにこの発明は、上位実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
　また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
［付録Ａ］
　歪量ε、スペクトルシフトΔ、及び位相変化量θの関係を説明する。
　レイリー後方散乱光のスペクトルシフトの歪み及び温度依存性は次式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
  光ファイバに温度変化Ｔがなく歪みεのみが加わる状況を考えるとレイリー後方散乱光のスペクトルシフトΔνは次式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
  歪みεによって長さＬの区間が伸縮量ΔＬだけ変化するとき位相変化量θは次式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
［定義］
　本明細書で使用されるパラメータは次の通りである。
ｘ：光ファイバの長手方向の位置（近端からの距離）
ｔ：時刻
ｎ：光ファイバの屈折率
Δν：スペクトルシフト
ν０：プローブ光の中心光周波数
ｃ：真空中の光速
Ｌ：測定装置が検出できる歪の空間分解能
ｋ：波数
Ｔ：光ファイバの温度変化
ｆ０：ｔ＝０の振動解析位置
γ：ＯＦＤＲ（測定装置）の周波数掃引速度
１１：測定装置
１２：解析回路
１３：光ファイバ
１００：システム
１０１：ユーザ
１０５：コンピュータ
１１０：プロセッサ
１１５：メモリ
１２０：プログラムモジュール
１２２：結果
１２５：記憶装置
１３０：ユーザデバイス
１３５：ネットワーク
１４０：記憶装置
１５０：データソース
３０１：光ファイバセンシング装置

Claims (7)

  1. 　ＯＦＤＲを用いた光ファイバセンシング装置が備える解析装置であって、
    　光ファイバのセクション毎に測定されたスペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量を計算すること、
    　前記光ファイバの解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値を計算すること、及び
    　前記累積値に基づいて前記解析位置を補正すること
    を行う解析装置。
  2. 　前記累積値を計算することは、前記近端の前記セクションから前記解析位置直前の前記セクションまでの前記光周波数変調量を累積することである請求項１に記載の解析装置。
  3. 　前記累積値を計算することは、任意の前記セクションから前記解析位置直前の前記セクションまでの前記光周波数変調量を累積することである請求項１に記載の解析装置。
  4. 　ＯＦＤＲを用いた光ファイバセンシング方法であって、
    　光ファイバのセクション毎にスペクトルシフトを測定すること、
    　前記スペクトルシフトから前記セクション毎に光周波数変調量を計算すること、
    　前記光ファイバの解析位置よりも近端側に位置する前記セクションの前記光周波数変調量を累積して累積値を計算すること、及び
    　前記累積値に基づいて前記解析位置の補正を行うこと
    を特徴とする光ファイバセンシング方法。
  5. 　前記累積値を計算することは、前記近端の前記セクションから前記解析位置直前の前記セクションまでの前記光周波数変調量を累積することである請求項４に記載の光ファイバセンシング方法。
  6. 　前記累積値を計算することは、任意の前記セクションから前記解析位置直前の前記セクションまでの前記光周波数変調量を累積することである請求項４に記載の光ファイバセンシング方法。
  7. 　請求項１から３のいずれかに記載の解析装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
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